海洋遥感的应用与展望
摘要:海洋遥感利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理观测和研究海洋,以海洋及海岸带作为监测、研究对象,具有快速、多波段、周期性、大面积覆盖等观测能力的空间遥感技术。
回顾了海洋遥感发展的4个阶段,介绍了海洋遥感在海洋资源环境调查、动态监测以及海洋污染等方面的应用。
最后,提出了海岸带遥感动态监测技术的精确化和定量化研究、海洋遥感地理信息系统建设以及海洋小卫星遥感的应用是未来海洋遥感研究和应用的重点。
海洋覆盖地球面积的71%,容纳了全球97%的水量,为人类提供了丰富的资源和广阔的活动空间,“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分,是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富”(联合国《21世纪议程》,1992),开发利用海洋对人类生存与发展的意义日显重要。
多年来国内外投入了大量的人力、物力和财力,利用先进的科学调查技术以求全面而深入地认识和了解海洋,指导人们科学合理地开发海洋、改善环境质量。
传统的海岸调查在资料获取、信息处理等方面存在较大局限,主要表现在海岸环境的进入性与通达性较差;近海和海岸环境复杂多变,难以进行多变量同步控制观测;海岸环境变化周期长、信息量大,难以取得理想的可控制数据,在实时处理上也有很大困难。
因而,常规的海洋观测手段不可能全面、深刻地认识海洋现象,也不可能掌握全球大洋尺度的过程和变化规律。
在海洋资源开发、全球性环境变化监测、海洋权益的维护及沿海地区的综合开发和管理上,都需要有一种新的海洋观测技术替代或补充传统的常规海洋调查方法,而海洋遥感所具有的大范围实时同步、全天时、全天候多波段成像技术优势可以快速地探测海洋表面各物理参量的时空变化规律。
海洋遥感(Oceanographic Remote Sensing)是指以海洋及海岸带作为监测、研究对象的遥感,包括物理海洋学遥感,如对海面温度、海浪谱、海风矢量、全球海平面变化等的遥感;生物海洋学和化学海洋学遥感,如对海洋水色、黄色物体、叶绿素浓度等的遥感;海冰监测,如监测海冰类型、分布和动态变化;海洋污染监测,如油膜污染等。
海洋遥感是利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理观测和研究海洋的,其内容涉及到物理学、海洋学和信息科学等多种学科,并与空间技术、光电子技术、微波技术、计算机技术、通讯技术密切相关,是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键学科之一,形成了从海洋波谱分析到海洋现象自动识别等一套完整的理论与方法。
海洋遥感与常规的海洋调查手段相比具有许多独特的优点:首先,它不受地表、海面、天气和人为条件的限制,可以探测地理位置偏远、环境条件恶劣等不能直接进入的海区;其次,它的宏观特性使它能进行大范围海洋资源普查、海洋制图以及海冰、海洋污染监测;第三,能周期性地监测大洋环流、海面温度场的变化、鱼群的迁移、污染物的运移等;第四,多波段、高光谱海洋遥感可以提供海量海洋遥感信息,开拓人们的视野;第五,能达到同步观测风、流、污染、海气相互作用,并获取能量收支信息。
1 发展回顾
海洋遥感的发展过程,大致经历了4个阶段:
第1阶段(1957~1970年)是起步阶段。
自从1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星以后,人类就步入了太空时代,空间海洋观测是人类空间计划中最早的项目之一。
1960年4月1日,美国宇航局(NASA)发射了第一颗气象卫星TIROS-Ⅰ(泰罗斯),其热红外图像能够显示无云海区丰富的海面温度信息,卫星数据由此成为海洋学研究的新的信息源。
随后发射的TIROS-Ⅱ卫星,开始涉及海温观测。
1961年美国执行水星计划,宇航员有机会在高空亲眼观察海洋。
其后,Gemini与Apollo宇宙飞船获得大量的彩色图像以及多光谱图像。
尽管这些航天计划主要试验目的是空间技术,但它已展现了从空间观测和研究海洋的潜力。
第2阶段(1970~1977年)是探索阶段。
主要利用气象卫星、陆地卫星探测海洋。
1969年NASA在Williams大学召开研讨会,推动了1973年Skylab航天器和1975年GEOS-3卫星高度计的研究。
以此为基础,NASA研制了一系列高分辨率多光谱扫描仪,主要装载在Landsat系列卫星上,提供了大量有关河口和沿岸海域的水色及浑浊度信息。
此后美国海洋大气局(NOAA)在1972~1976年发射了NOAA-1、2、3、4、5卫星,装载有红外扫描辐射计和微波辐射计,用以估计海表温度和大气温度、湿度剖面等。
第3阶段(1978~1984年)为海洋卫星试验阶段。
1978年海洋遥感较为活跃,NASA这一年共进行了25次卫星发射,与海洋有关的主要有喷气动力实验室(JPL)研制的Seasat-A卫星,Goddard空间飞行中心(GSFC)研制的气象卫星TIROS-N和雨云卫星Nimbus-7卫星,它们充分展现了卫星对海洋的监测能力。
以上三颗卫星构成了海洋卫星的三部曲,它标志着海洋卫星遥感新纪元的开始。
继美国第一颗海洋卫星发射以后,世界各国对发展海洋卫星遥感发生了浓厚的兴趣,陆续开始研究并发射与海洋观测相关的卫星。
第4阶段(1985年至今)是海洋卫星应用研究和业务使用阶段。
在此期间,共发射了多颗海洋卫星,包括海洋地形卫星,海洋动力环境卫星及海洋水色卫星。
除此之外,还在其它卫星上搭载海洋探测器,开展了卓有成效的海洋遥感应用研究。
近年来世界发达国家在制定对地观测卫星计划及海洋发展规划中,均把海洋卫星及其应用列为优先发展的高新技术领域。
可见,进入20世纪90年代以来发射的海洋卫星及应用于海洋探测的航天遥感器越来越多,精度越来越高,不仅可以探测影响海洋生态环境的水色要素、悬浮泥沙、叶绿素和污染物等悬浮体的分布场及动态变化,而且可以探测海面动力场、海洋策略场和海面地形,探测目标为海面风场、浪场、流场、温场、海面拓扑与冰面拓扑等,为海洋研究提供了可靠的技术手段。
2.应用
2.1 传感器
海洋卫星传感器根据地物电磁辐射原理获取海洋信息。
传感器按工作方式可分为主动式和被动式两种,被动传感器主要有多光谱扫描仪、沿岸水色扫描仪、热红外辐射计、扫描式多通道微波辐射计和照相机等;主动式传感器主要包括雷达高度计、微波散射计、合成孔径雷达等。
按工作波段可分为可见光、红外、微波遥感器,其中,可见光传感器只能探测无云时的海洋信息,红外传感器所探测的波段比可见光具有较强的穿透力,用它可以估计云顶温度、监测海面温度和沿岸海流;微波传感器能透过云层探测目标,由于水体本身对微波有强烈影响,所以依据微波资料可以清晰显示活动的降雨区,获得全球海洋降雨率,并能清晰地反映飓风区和其他猛烈天气过程引起的详细降雨结构。
2.2 主要应用领域
海洋遥感主要应用于调查和监测大洋环流、近岸海流、海冰、海洋表层流场、港湾水质、近岸工程、围垦、悬浮沙、浅滩地形、沿海表面叶绿素浓度等海洋水文、气象、生物、物理及海水动力、海洋污染、近岸工程等方面。
遥感监测已成为海洋及海岸带主要的监测手段和信息源,应用一些卫星资料与遥感数据主要开展了以下工作:海洋动力遥感观测、海洋水准面、浅水地形与水深遥感测量、海洋水色遥感、海洋污染监测、海冰观测。
3.展望
根据遥感技术发展趋势及未来航天器的发射情况,海洋遥感必将在全球性气候变化研究、热带海洋、极地海洋与海冰、海洋生产力与生态系统、海气相互作用、海洋灾害预报、海洋
渔业及海岸带管理等方面发挥重要作用。
包括海岸带遥感动态监测技术的精确化与定量化、海洋遥感信息系统(MARSIS)的建设、小卫星海洋遥感前景广阔。